露天煤礦運輸安全預控體系研究

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摘要：為了預防和遏制露天煤礦車輛傷害事故，從公路運輸3要素“道路、車輛、駕駛員”出發，采用科技手段分階段、分步驟研究了“露天煤礦車輛防撞預警系統”、“露天煤礦車輛超速管理系統”、“露天礦卡車疲勞駕駛預警系統”、“露天煤礦卡車毫米波雷達自動剎車系統”、“多功能一體化管控系統”，建立了露天煤礦公路運輸安全預警預控智能化體系，有針對性地采取預防措施，有效遏止了生產安全事故發生。

關鍵詞：露天煤礦；公路運輸；安全；預控；預警

根據統計分析，公路運輸導致的車輛傷害事故占露天煤礦各類事故的首位，而在露天煤礦公路輸事故中，由于卡車盲區造成的事故高達60%，由于小型車輛超速違章行駛占20%，由于駕駛員疲勞駕駛造成的事故占15%左右[1]。通過運用交通流模型對黑岱溝露天煤礦公路運輸事故進行模擬分析，1215端幫路周圍區域理論預測年均事故率約為4.25~5次/a，計算預測交通事故死亡在0.935~1.22次/a。因此，研究露天煤礦公路運輸預警預控技術，開發先進、實用的露天煤礦公路運輸安全智能化預警預控體系，對實現卡車防碰撞、防疲勞、主動防追尾和自動剎車，減少行車事故。

1防撞預警系統

通過歷年來全國露天煤礦發生的傷亡事故原因分析發現，因為靜態盲區和動態盲區，礦用卡車駕駛員根本不知道自身周圍存在其他車輛，成為造成事故的主要原因，尤其是大型礦用卡車碾壓小型生產指揮車輛的事故概率最高。怎么解決這些“不清楚”、“不知道”、“沒看見”，其實是解決一個實時獲知位置信息的問題[2]。因此如何讓駕駛員隨時掌握自身周圍車輛運行的情況，有效避免事故的發生，位置信息獲取至關重要。黑岱溝露天煤礦構建了大型礦用卡車防撞預警系統，將各種車輛的靜態盲區和動態盲區統一考慮，形成了一體化解決方案，用以消除駕駛員視線盲區。大型礦用卡車防撞預警系統采用無線射頻技術RF（短距離無線通信）和GPS衛星高度定位技術，并輔以三維電子羅盤技術、LCD液晶顯示功能、語音報警和防撞預測算法，在主控模塊協調作用下，首先通過雙GPS模塊實時采集自身位置坐標（由于得到的坐標不夠精確，根據雙天線等間距設定，求出當前系統誤差，進行GPS自主修正，由高精度GPS定位技術給出車輛的精確坐標），其次是通過雙RF射頻模塊與周圍的輔助車輛交互位置坐標，求出輛車間的距離和方位，同時將車輛的位置和相對信息通過各自的液晶屏顯示出來，最后通過語音模塊，根據事先規定的報警模式，給出預警信號[3]。在彩色屏上可以直觀地觀察到自身車輛以及對方車輛的位置、時間信息、車輛速度等數據。當車輛出現在預警范圍內時，系統根據距離、方位、朝向等不同情況發出不同的語音報警。黑岱溝露天煤礦根據預警區域劃分，建立了預警機制：車輛進入100～80m區域時顯示鄰近車輛距離及位置；進入80～20m區域時語音報告鄰近車輛距離及位置；進入區域小于20m時語音播報“危險”，為駕駛員防御性駕駛提供了研判信息，保證了車輛全天候安全運行。大型礦用卡車防撞預警系統預警區域如圖1。

2車輛超速管理系統

露天煤礦生產作業過程中，從運輸、生產、維修、指揮到其他輔助生產的各個環節都離不開車輛，生產作業現場內每天都有大量的車輛在運行，外加礦區面積大，道路復雜、情況多樣，若車輛超速運行，駕駛員面對前方車輛、行人等各種緊急情況時的應急時間變短，此外車速過快也會導致緊急剎車制動距離加長，輕者造成“追尾”，車輛受到損壞，重者導致人身傷亡，給社會和家庭帶來生命財產損失。據統計大型露天煤礦車輛超速行駛造成的事故占20%。因此必須采取有效手段，嚴肅處理違章超速行為，規范駕駛員操作行為，嚴格按照規定速度行駛，減少由超速引起的生產安全事故與違章行為。車輛超速管理系統采用先進的GPS測速及定位技術、RF通信、無線Mesh網絡、RFID識別、電子地圖等技術，實時監測進入生產作業現場的生產指揮車、輔助車輛、中巴車等行駛速度，當超出規定車速時語音提醒駕駛員[4]：①超速管理系統車載終端檢測：在礦區布置系統，當車輛到達生產作業現場入口崗亭附近時，通過對車輛無線射頻信號的檢測，獲取車載終端設備狀態，通過對回傳數據的分析和甄別，判斷被檢測車載終端是否完好；②語音報警和信息記錄：當車輛進入生產作業現場，該車載終端能夠在駕駛員超過規定速度駕駛時及時語音提示報警，并記錄該車輛超速開始時的時間、地點、速度及超速過程中的最高速度等信息，當駕駛員減速到規定的速度以下時也記錄相應的信息；③數據傳輸：當車輛駛出生產作業現場，經過入礦崗亭時，車載終端通過其無線射頻RF模塊向設置在入礦崗亭的數據采集裝置發送其記錄的該車輛的行駛數據，入礦崗亭的數據采集裝置將接收到的數據通過無線Mesh網絡遠傳給監控中心的服務端，監控中心的服務端和客戶端通過礦內以太網實現數據共享，相關管理人員可在客戶端方便的查詢超速車輛的相關信息，并可在電子地圖上看到超速車輛的行駛軌跡，安全監察部門通過客戶端對各個時間段的超速情況進行統計后，可根據車輛超速數據對相關部門、個人進行處罰。

3疲勞駕駛識別預警系統

露天煤礦生產過程中，大型礦用卡車公路運輸是最主要的開拓形式。從事公路運輸的礦用卡車駕駛員，由于運輸工作量大，工作強度大，單人長時間穿行在沒有生機的巖體中，容易因枯燥產生困倦和疲勞，尤其是凌晨4點左右極易打盹和昏睡，極大地影響了駕駛員警覺和安全駕駛能力。疲勞會使駕駛員的觀察注意力下降，反應速度減緩，瞬間的駕駛失控，危險極大，這些均給公路運輸作業帶來了巨大的安全隱患[5]。疲勞駕駛識別預警系統集人臉狀態識別（機器視覺技術、圖像處理技術）、無線傳輸、GPS定位等多種先進技術于一體，關鍵是疲勞狀態識別：通過疲勞駕駛機器視覺識別裝置[6-7]，對駕駛員狀態進行快速取像，判斷輸入的圖像是否存在人臉，駕駛員的駕駛位置一般比較固定，頭部的位置也比較固定，如果經常檢測不到人臉或是檢測到很小的一部分人臉，那么就可以判斷駕駛員處于疲勞狀態；如果檢測到存在完整的人臉，則進一步給出駕駛員的人臉位置、大小和各個主要面部器官的位置，經過高速DSP分析后，定位眼睛和嘴巴的位置，通過計算上下眼皮和上下嘴唇的距離來判斷駕駛員的狀態（眼睛的3個重要表征即完全睜開、半閉合、完全閉合，嘴巴的3個重要表征即完全張口、半閉合、完全閉合），當主機檢測到（采用機器視覺裝置檢測人眼開閉狀態，進而確定人眼的局部特征，從眼睛閉合及瞳孔狀態來判斷駕駛員是否處于疲勞狀態）駕駛員處于疲勞狀態時，震動腕表、震動坐墊、語音和指示燈報警提示正在行駛中的卡車駕駛員注意安全，并將卡車駕駛員疲勞信息通過Mesh無線網絡傳遞到露天煤礦生產指揮中心電腦，由指揮中心調度人員負責管控[8-9]。

4毫米波雷達自動剎車系統

露天煤礦雖然實施了以GPS和RF技術為主的防撞預警系統、車輛超速系統和疲勞駕駛識別預警系統，但無法識別障礙物（大塊滾石、擋墻、故障設備、電纜橋等），也未能實現主動防追尾和自動剎車，大型礦用卡車追尾事故時有發生，為解決此問題，黑岱溝露天煤礦研發了大型礦用卡車毫米波雷達防碰撞智能制動系統。毫米波雷達防碰撞智能制動系統，開發了雷達波調制與解調的硬件電路和軟件DSP算法技術，研制了適用于大型礦用卡車防碰撞的24GHz車載毫米波雷達傳感器和基于MEMS陀螺儀技術的大型礦用卡車運行姿態監測裝置，創建了大型礦用卡車和障礙物圖像模擬庫，采用神經網絡圖像識別技術實現大型礦用卡車與障礙物的動態識別，進而建立了大型礦用卡車防碰撞的自動剎車規則與智能制動機制：毫米波雷達礦用卡車自動剎車系統的雷達控制器，根據本車速度得出安全距離，并將該安全距離和雷達傳感器測得的距離進行比較，當雷達傳感器測得的距離小于安全距離時，雷達控制器給出剎車信號，剎車機械裝置的電機轉動，帶動鋼絲繩拉動剎車踏板，進行剎車（電剎車），車輛減速。在剎車過程中，雷達控制器不斷計算本車速度及與障礙物的距離并和相應的安全距離比較，剎車制動檢測裝置實時測量剎車踏板的位移量是否和電機帶動鋼絲繩的位移量相符：①當減速過程中雷達傳感器測得的距離仍小于相應的安全距離時，雷達控制器給出繼續剎車信號，剎車機械裝置的電機進一步運轉，電剎車的剎車踏板繼續位移直到最大行程，電剎車踏板至最大行程后，當車速不大于5km/h時，啟動工作制動，卡車的剎車機械裝置的電機進一步轉動，直到車輛速度為0，達到停車狀態；②電剎車的剎車機械裝置啟動后，車輛在減速過程中雷達傳感器測得的距離變化大于相應的安全距離時，雷達控制器給出解除剎車信號，電機反轉解除電剎車，電剎車踏板恢復到正常狀態，車輛繼續前行，實現1次點剎減速過程；③剎車制動檢測裝置實時測量剎車踏板的位移情況，不論在任何條件下，只要剎車踏板的位移量超過了剎車機械裝置的位移量，該系統就認為是司機的踩踏剎車行為，該系統不啟動或解除剎車機械裝置的剎車制動，以人的操作為第1優先級。基于24GHz毫米波雷達探測技術，實現了礦用卡車在遇到障礙物或其它車輛時，當雙方距離小于安全距離后能夠自動剎車，實現了“失誤-安全”的本質安全[6-9]。

5“四位一體”集成終端

為解決露天煤礦公路運輸安全問題，在大型礦用卡車上先后使用了盲區攝像、RF無線射頻、GPS衛星定位、圖像識別、毫米波雷達等技術，完成了“露天煤礦車輛防撞預警系統”、“露天煤礦車輛超速管理系統”、“露天礦卡車疲勞駕駛預警系統”、“露天煤礦卡車毫米波雷達自動剎車系統”等安防技術的研發與實踐，為解決露天煤礦礦用卡車防碰撞問題提供了有效的技術手段。然而，上述系統屬于不同時期研發的產品，安裝時間先后不等，安裝位置和報警模式未進行統籌考慮，占用卡車操作臺的空間太多，各種聲光報警也給駕駛員帶來困擾。其次是原設備功能單一，接口不足，急需整合原有功能，進行技術優化集成，統一預警預控，以便于駕駛員對預警預控事件的觀察和響應，也便于上述安防系統的維護。再次是圖像識別技術的引用，為進一步整合駕駛員疲勞駕駛、瞌睡提醒、駕駛員行為監控和盲區監測成為可能。因此有必要采用圖像識別技術、給出障礙物類別，并與毫米波雷達技術融合，促使預警和剎車規則更加精準和高效。通過技術集成創新和功能整合，最終形成1套一體化管控系統，其中包含了4個主要功能，并將系統硬件分為4個部分：①無線模組-微處理器：主要完成RF射頻通訊和GPS定位功能，包括北斗/GPS定位、RF射頻通訊、4G/GPRS網絡通訊及MEMS陀螺儀等；②雷達模組-微處理器：具有雷達防碰撞剎車功能，包括三路雷達傳感器數據輸入，剎車機構完成車輛減速或剎車；③攝像模組-HUB：承擔機器視覺識別中多路攝像頭數據輸入和盲區監測功能；④駕駛室內僅有主機、CPU圖像處理、室內攝像頭和顯示器，大大減少了駕駛室內的空間占用。“四位一體”終端功能圖如圖2，一體化管控系統功能分布圖如圖3。

6安全管理系統軟件

安全管理信息化是露天礦現代化管理的必然趨勢，黑岱溝露天煤礦高度重視安全信息化建設工作，為實現防撞預警、超速管理、疲勞駕駛識別預警、毫米波雷達智能自動剎車系統全過程信息化管理目標，采用計算機及信息化技術，提出了安全管理軟件系統的構架，實現安全管理信息共享和風險預警平臺的建設[10]。安全管理軟件系統包括4個子系統。1）防撞預警子系統。防撞預警記錄。可按天、班次、部門、設備編號或車型對每輛車和其他車輛相會的過程中的預警級別和預警次數進行統計。單擊次數可顯示預警明細，通過點擊報表和軌跡，可顯示本車速度和對車距離曲線變化表和電子地圖中的運行軌跡（運行軌跡支持重新回放）。2）超速管理子系統。可按天、班次、部門、設備編號或車型對每輛車超速情況進行統計，預警統計情況。點擊右側“速度”可顯示超度速度變化情況，點擊“軌跡”可對超速軌跡進行回放，通過對回放軌跡的路線進行甄別，用以判斷超速的真實性。3）毫米波雷達自動剎車子系統。①系統檢測總表：體現當前正在運行的設備數量以及毫米波雷達正常開機和運行數量；②運行檢測明細：可以查看每臺礦用開車每個班毫米波雷達開機運行的具體時間段；③開機時間統計：可以查看每臺礦用卡車每個班行車累計時長、剎車啟用累計運行時長、剎車啟用有效使用率、雷達開機累計運行時長；④系統狀態：可以查看雷達各個傳感器的運行狀態（綠色表示正常，紅色表示故障）；⑤剎車統計：可以查看每臺礦用卡車某天或某個班次毫米波雷達自動剎車次數以及剎車原因分析。4）疲勞識別預警子系統。實時識別和判斷礦用卡車疲勞狀態，并將疲勞照片及時上傳，并做到及時提醒。同時可以查看照片和拍照地點在電子地圖上的具體坐標位置。

7結語

1）采用GPS、無線射頻、毫米波雷達等先進成熟的技術和多項技術集成，通過不斷的科學研究和實踐，對露天煤礦礦用卡車的公路運輸安全進行了有效的預警預控，為露天煤礦科技保安走出了一條切實可行的道路。2）以建設信息共享和風險預警平臺為目標的安全管理系統，將露天煤礦規章制度中要求的職責及工作內容落實到具體的系統操作中，使管理更高效，職責更清晰，內容更完整，標準更統一。3）露天煤礦公路運輸安全智能化預警預控體系大大提高了露天煤礦公路運輸的安全系數，運輸效率也大幅提升。經現場測試，大型礦用卡車車速由原來的20km/h提高到24km/h，按24km/h的平均速度計算大型礦用卡車的年生產能力，運輸效率提高達12%。4）露天煤礦公路運輸安全智能化預警預控體系實現了“一增一減一轉變”。一增：人員操作效率增加；一減：“三違”數量明顯減少；一轉變：作業人員從“要我安全”到“我懂安全”和“我要安全”的轉變，為創建安全高效露天煤礦奠定了基礎。5）露天煤礦公路運輸安全智能化預警預控體系的“減損”（減少事故造成的人員傷亡、職業病負擔、事故經濟損失、環境危害等）效益凸顯。露天煤礦公路運輸安全智能化預警預控體系實施以來，杜絕了公路運輸“零敲碎打”事故，每避免1次事故可減少經濟損失上百萬，甚至上千萬。

參考文獻：

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作者:劉小杰 單位:神華準格爾能源有限責任公司